Utilizzando la modellazione computazionale, ricercatori della Carnegie Mellon University, la Colorado School of Mines e l'Università della California, Davis ha ideato un progetto per un liposoma migliore. Le loro scoperte, mentre teorica, potrebbe fornire la base per costruire in modo efficiente nuovi veicoli per la somministrazione di nanofarmaci.

I liposomi sono piccoli contenitori con gusci fatti di lipidi, lo stesso materiale che costituisce la membrana cellulare. Negli ultimi anni, liposomi sono stati utilizzati per la somministrazione mirata di farmaci. In questo processo, la membrana di un liposoma contenente farmaci è progettata per contenere proteine ​​che riconosceranno e interagiranno con proteine ​​complementari sulla membrana di una cellula malata o disfunzionale. Dopo la somministrazione dei liposomi contenenti il ​​farmaco, viaggiano attraverso il corpo, collegandosi idealmente con le cellule mirate dove rilasciano il farmaco.

Questa tecnica di confezionamento viene spesso utilizzata con nanofarmaci altamente tossici, come i farmaci chemioterapici, nel tentativo di impedire che il farmaco libero danneggi le cellule non cancerose. Però, studi su questo modello di somministrazione hanno dimostrato che in molti casi meno del 10% dei farmaci trasportati dai liposomi finisce nelle cellule tumorali. Spesso, il liposoma si apre prima di raggiungere una cellula tumorale e il farmaco viene assorbito negli organi del corpo, compreso il fegato e la milza, con conseguenti effetti collaterali tossici.

"Anche con le attuali forme di somministrazione mirata di farmaci, trattamenti come la chemioterapia sono ancora molto brutali. Volevamo vedere come migliorare la somministrazione mirata di farmaci, " disse Markus Deserto, professore di fisica alla Carnegie Mellon e membro del Center for Membrane Biology and Biophysics dell'università.

In un articolo pubblicato su ACS Nano , Deserno e colleghi propongono che la somministrazione mirata di farmaci possa essere migliorata creando liposomi più stabili. Utilizzando tre diversi tipi di modellazione al computer, hanno dimostrato che i liposomi possono essere resi più robusti incorporando un nucleo di nanoparticelle fatto di un materiale come l'oro o il ferro e collegando quel nucleo alla membrana del liposoma utilizzando legacci polimerici. Il nucleo e gli attacchi agiscono come un'impalcatura simile a un mozzo e un raggio e un sistema di assorbimento degli urti che aiuta il liposoma a resistere alle sollecitazioni e alle sollecitazioni che incontra mentre viaggia attraverso il corpo verso il suo obiettivo.

Francesca Stanzione e Amadeu K. Sum della Colorado School of Mines hanno condotto una simulazione a grana fine che ha osservato come i legami polimerici ancorano la membrana del liposoma a livello atomico. Roland Faller di UC Davis ha fatto una simulazione su mesoscala che ha osservato come un certo numero di cavi si aggrappasse a un piccolo pezzo di membrana. Ognuna di queste simulazioni ha permesso ai ricercatori di osservare componenti più piccoli del liposoma, nucleo e cavi di nanoparticelle, ma non l'intera struttura.

Per vedere l'intera struttura, Deserno e Mingyang Hu di Carnegie Mellon hanno sviluppato un modello a grana grossa che rappresenta raggruppamenti di componenti piuttosto che singoli atomi. Per esempio, un lipide nella membrana cellulare potrebbe avere 100 atomi. In una simulazione a grana fine, ogni atomo sarebbe rappresentato. Nella simulazione del grano grosso di Deserno, quegli atomi potrebbero essere rappresentati solo da tre pezzi invece di 100.

"Non è fattibile guardare il costrutto completo a un livello atomistico. Ci sono troppi atomi da considerare, e i tempi sono troppo lunghi. Anche con il supercomputer più avanzato, non avremmo il potere di eseguire una simulazione a livello di atomo, " Ha detto Deserno. "Ma la fisica che conta non è localmente specifica. È più simile alla fisica della materia soffice, che può essere descritto con una risoluzione molto più grossolana."

La simulazione di Deserno ha permesso ai ricercatori di vedere come l'intero costrutto di liposomi rinforzati ha risposto allo stress e alla tensione. Hanno proposto che se a un liposoma fosse stato dato il mozzo e i cavi delle giuste dimensioni, la sua membrana sarebbe molto più resistente, piegarsi per assorbire l'impatto e la pressione.

Inoltre, sono stati in grado di simulare come assemblare al meglio il liposoma, hub e sistema di collegamento. Hanno scoperto che se il mozzo e il cavo sono attaccati e posti in una soluzione di lipidi, e le condizioni del solvente sono opportunamente scelte, un liposoma di dimensioni corrette si autoassembla intorno al mozzo e ai cavi.

I ricercatori sperano che un giorno i chimici e gli sviluppatori di farmaci saranno in grado di utilizzare le loro simulazioni per determinare la dimensione del nucleo e dei legami polimerici di cui avrebbero bisogno per proteggere efficacemente un liposoma progettato per fornire un farmaco specifico o un'altra nanoparticella. L'utilizzo di tali simulazioni potrebbe restringere i parametri di progettazione, accelerare il processo di sviluppo e ridurre i costi.